Porowate materiały z wąskimi kanałami (rzędu angstremów – 1°A = 10^-10 m = 0,1 nm), przyciągają szczególną uwagę przemysłu ze względu na możliwość ich stosowania w filtracji i separacji. Obserwacja szybkiego przenikania wody przez nanorurki węglowe oraz ostatnio przez laminaty z tlenku grafenu (z ang. graphene oxide, GO) przyniosła kilka nowych pomysłów wykorzystania tych materiałów w odsalaniu i oddzielaniu cząsteczek. Bazując na poprzednich badaniach, naukowcy z University of Manchester w Wielkiej Brytanii opracowali filtry do wody z tlenku grafenu umożliwiające precyzyjne i szybkie przesiewanie soli i związków organicznych od wody.
Wertując informacje na temat grafenu, słyszymy głównie o jego zastosowaniu w elektronice. Wytrzymały, przejrzysty, świetnie przewodzący prąd i ciepło materiał nie posiada jednak naturalnej przerwy wzbronionej co znacząco utrudnia jego użycie przy budowie tranzystorów. Dokładnie przeanalizowaliśmy tę kwestię przy okazji opublikowania wiadomości na temat fosforenu – jednoatomowej warstwy zbudowanej z atomów fosforu, która posiada przerwę energetyczną. Grafen posiada także właściwości antyseptyczne i może być bakteriobójczy. Nieco mniej znanym zastosowaniem grafenu są czułe detektory gazów, pokrycia elektrod oraz narzędzia do analizy biomedycznej. Pochodna tego materiału – tlenek grafenu, na powierzchni którego występują tlenowe grupy takie jak hydroksylowe, karbonylowe i karboksylowe jest testowany także w kierunku zwalczania nowotworów. Grafen jest hydrofobowy, czyli odpycha kropelki wody. Kiedy z jego warstwy utworzymy wąskie naczynie włosowate (kapilarę), będzie ono energicznie zasysać wodę, umożliwiając jej szybki przepływ. Urządzenie może działać w tak wydajny sposób, jeżeli powłoka z wody będzie grubości jednego atomu, tak jak grafen.
Jak wykazali badacze z Manchesteru, cienkie, oczyszczające wodę membrany mogą zostać zbudowane z tlenku grafenu, poprzez układanie jego warstw jedna na drugiej. Powstałe w ten sposób wielowarstwowe laminaty posiadają strukturę podobną do tej, jaką posiada wytrzymała mechanicznie masa perłowa. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane 14 lutego 2014 roku, w prestiżowym magazynie Science. Inżynierowie już dwa lata wcześniej odkryli, że cienkie membrany wykonane z takich stosów są nieprzepuszczalne dla wszystkich gazów i par, z wyjątkiem wody. Bariery nie przekroczył nawet hel, najlżejszy i najtrudniejszy do zablokowania gaz, podczas gdy para wodna przeszła bez oporu. Teraz, prowadzący badania doktor Rahul Nair i profesor Andre Geim (laureat Nagrody Nobla w 2010 za wyizolowanie grafenu) przetestowali działanie filtrów z tlenku grafenu na wodzie w stanie ciekłym.
Do wytworzenia membrany z tlenku grafenu badacze wykorzystali tlenek grafitu. Poddali go działaniu stężonego kwasu siarkowego, azotanu sodu i nadmanganianu potasu (utlenianie metodą Hummer’a). Następnie tlenek grafitu złuszczany był na jednowarstwowe płatki przez sonifikację falami ultradźwiękowymi w wodzie. Cały proces prowadzono w wirówce przy 10 000 obrotów na minutę. Błony z płatków przygotowano za pomocą filtracji próżniowej z wykorzystaniem laboratoryjnego filtru membranowego – Anodisc (o maksymalnej wielkości porów 0,2 mikrometra). Przez zmianę objętości filtrowanego roztworu z GO naukowcy kontrolowali grubość końcowej membrany (5 mikrometrów). Na końcu, cienkie błony zostały przyklejone do miedzianego podłoża z otworem o średnicy 1 cm. Całość została z obu stron uszczelniona pierścieniami w kształcie torusa (O-ring). Filtry testowano potem na obecność zbyt wielkich otworów i szerokich szczelin przy użyciu helu.
Tak przygotowane sita molekularne zostały poddane badaniom selektywnego absorbowania cząsteczek związków chemicznych (m.in. NaCl, CuCl2, MgCl2). Zanurzona w wodzie membrana ulegała niewielkiemu spęcznieniu. Możliwy był bardzo szybki przepływ nie jednej, lecz dwóch lub trzech monowarstw wody. Filtry zatrzymywały jony soli i cząsteczki związków organicznych o średnicy większej niż 9°A (około 0,9 nm), a te mniejsze przepływały dalej razem z wodą. Membrany posiadały bardzo jednorodną siatkę, która pozwalała na dokładną analizę i zatrzymanie cząsteczek różniących się średnicą tylko o kilka procent.
Naukowcy zgodnie twierdzą, że szybka filtracja może być jeszcze bardziej precyzyjna. Chcą zmniejszyć rozmiar oczek w siatce poniżej 9°A, co umożliwi przesiewanie jonów soli znajdujących się w wodzie morskiej. Zwiększenie skuteczności “gąbki jonowej” będzie wymagało dalszych prac, zarówno eksperymentalnych jak i teoretycznych.
Źródło:
[1] R. K. Joshi, P. Carbone, F. C. Wang, V. G. Kravets, Y. Su, I. V. Grigorieva, H. A. Wu, A. K. Geim, R. R. Nair. Precise and Ultrafast Molecular Sieving Through Graphene Oxide Membranes. Science, February 14, 2014 DOI: 10.1126/science.1245711
[2] http://www.manchester.ac.uk/aboutus/news/display/?id=11561 [14.02.2014]
[3] http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1401/1401.3134.pdf [14.02.2014]
[4] http://www.sciencemag.org/content/343/6172/752 [14.02.2014]
[5] Pipes and Valves by Uwe Hermann, flickr.com, CC BY-SA 2.0